Die Gutbettwalzenmühle wird heute in vielen Industriezweigen zur Mahlung spröder Stoffe eingesetzt. Sie zeichnet sich durch eine energieeffiziente Arbeitsweise aus und stellt eine Alternative zu herkömmlichen Zerkleinerungsmaschinen, wie Kugel- und SAG-Mühlen, dar. In der Vergangenheit kam es durch Schäden an den Walzenoberflächen zu Problemen mit der Betriebssicherheit dieser Maschinen. Hervorgerufen werden die Schäden u.a. durch punktuelle Überlastungen der Walzenoberfläche, die durch im Gutbett eingelagerte grobe Einzelpartikel verursacht werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Versuche mit einer hydraulischen Stempelpresse zur Ermittlung der Walzenbelastung von Gutbettwalzenmühlen durchgeführt und der Einfluss verschiedener Maschinen-, Verfahrens- und Materialparameter untersucht. Auf der Grundlage des Versuchsprogramms wird eine Modellbetrachtung zur Walzenbelastung durchgeführt, mit deren Hilfe auf das Lastkollektiv aus der Gutbett- und Einzelkornbelastung geschlossen werden kann.

Aus der Aufbereitungspraxis ist bekannt, dass für die industrielle Kalisalzgranulatherstellung das Kompaktier-/Zerkleinerungs-Verfahren ein bedeutungsvolles Verfahren ist. Deshalb ist die mathematische Optimierung der Prozesse Kompaktierung und Zerkleinerung sinnvoll. Hier ist die Optimierung mittels einer Modellierung der Prozesse Kompaktierung und Zerkleinerung erforderlich. Deshalb bestand die Aufgabe darin, ein Modell für die Prozesse Kompaktierung und Zerkleinerung auf Grund der mathematisch-statistischen Versuchsplanung wegen ihrer praktischen und ökonomischen Vorteile aufzustellen, um den gesamten Prozess Kaligranulatherstellung zu optimieren. Das aufgestellte Modell lässt sich für die Maximierung der Produktion qualitätsgerechten Granulates einer kompletten Granulieranlage bestehend aus Walzenpresse, Zerkleinerungsapparaten und Klassierapparat einsetzen. Damit ist es ein leistungsfähiges Werkzeug zur Effizienzsteigerung der Kaligranulatproduktion. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die Verwendung der auf Grund der mathematisch-statistischen Versuchsplanung aufgestellten Modelle für die Optimierung der Verfahrenssysteme für die Kalisalzgranulatherstellung sinnvoll und nutzbar ist.

Für die Weich- und Mittelhartzerkleinerung von Primär- und Sekundärrohstoffen werden zunehmend Profilwalzenbrecher eingesetzt. Trotz relativ geringer Zerkleinerungsgrade zeichnen sie sich durch einen geringen spezifischen Leistungsbedarf, hohe Durchsätze, eine einfache Konstruktion und Instandhaltung sowie eine störungsfreie Betriebsweise aus und sind auch bei adhäsivem Aufgabematerial anwendbar. Trotz der Bedeutung dieser Maschinen gibt es bisher nur unzureichende Auslegungsmethoden. Die theoretisch begründete Modellierung der Zerkleinerung in markant profilierten Walzenbrechern ist deshalb Gegenstand dieser Arbeit, um dadurch die Dimensionierungsgrundlagen zu verbessern und Einsatzmöglichkeiten in der Hartzerkleinerung abzuschätzen. Dazu werden im Rahmen einer Systembetrachtung zunächst die wesentlichen Prozessparameter der Zerkleinerung ermittelt und die Bauarten von Profilwalzenbrechern klassifiziert (Kapitel 2). Die Darstellung der bekannten Berechnungsmodelle für die Hauptzielgrößen „Grenzdurchsatz“, „Produktgranulometrie“ und „Leistungsbedarf“ ist Gegenstand von Kapitel 3. Darauf aufbauend wird in Kapitel 4 ein neues, physikalisch begründetes Auslegungsmodell vorgestellt und das Untersuchungsfeld hinsichtlich der zu analysierenden Aufgabestoffart und Maschinengeometrie eingegrenzt. Die für dieses Modell erforderlichen Zerkleinerungstest- und Simulationsergebnisse werden in Kapitel 5 und 6 dargestellt, bevor die Arbeit in Kapitel 7 mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick abschließt.

Die am häufigsten für die Zerkleinerung des Zementklinkers eingesetzte Kugelmühle stellt eine relativ einfache Maschine dar, in der sehr komplizierte dynamische Wechselwirkungen herrschen. Die direkte Messung der Beanspruchungsintensitäten ist heutzutage immer noch eine schwierige Aufgabe. In der vorliegenden Arbeit sind die Spektren der Beanspruchungsgrößen sowie einige spezifische integrale Größen mit der Methode der diskreten Elemente (DEM) untersucht worden. Eine besondere Aufgabe bestand in der Ermittlung der Parameter des viskoelastischen Kontaktmodells und der den Zementklinker charakterisierenden mechanischen Größen. Die reale Abbildung der Stoßvorgänge wurde anhand vereinfachter Modelle der Messprüfstände validiert. Mit den ermittelten Parametern sind numerische Untersuchungen durchgeführt worden, mit denen ihre Auswirkung auf die Zielgrößen bestimmt wurde. In Hinsicht auf eine mögliche konstruktive Weiterentwicklung sind Simulationen mit festgelegten betrieblichen und zu variierenden konstruktiven Parametern durchgeführt worden.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung funktionalisierter Cellulose-Tiefenfilterschichten. Dazu werden kommerzielle Kationenaustauscher in einer Kugelmühle nass zerkleinert und bei der Herstellung in die Tiefenfilterschichten eingebettet. Die mechanischen Eigenschaften und das Filtrationsverhalten dieser Schichten sind vergleichbar mit kommerziellen Produkten. Der maximale, technisch einsetzbare Masseanteil an Ionenaustauscher beträgt dabei ca. 40 %. In Durchströmungsversuchen wird die Funktion der eigesetzten Partikel innerhalb der Cellulose-Matrix untersucht. Die Adsorptionskinetik kann mit Hilfe eines in der Arbeit weiterentwickelten Modells nach Langmuir beschrieben werden. Für die Austauschkinetik wird auf der Basis dieses Modells eine abweichende Gesetzmäßigkeit ermittelt. Zudem wird eine Anlagen-Auslegung zur maximalen Kapazitätsausnutzung für einen Adsorptionsprozess vorgestellt.

Auf der Basis experimenteller Untersuchungen im Labor- und Technikummaßstab wurden Verfahren konzipiert, nach denen Holzhackschnitzel ohne Einsatz synthetischer Leime zu Pressformkörpern hoher Qualität verarbeitet werden können, für die es ein Nutzungspotenzial als Werk- bzw. Baustoff gibt. Wichtiger Bestandteil der neuen Verfahren sind die Zerfaserung der Hackschnitzel mit Hilfe eines Doppelschneckenzerfaserers, die Modifizierung der Holzfasern mit Weichbraunkohle und/oder Löschkalk sowie mit Kraftwerksasche und die Verpressung der modifizierten Holzfasern mit hohen oder niedrigen Pressdrücken. Als eine Schlüsselmaßnahme für die Realisierung gewünschter Produktqualitäten erwies sich die hydromechanische Aktivierung aller beteiligten Rohstoffe. Neben der Ermittlung optimaler Verfahrensparameter wurden umfangreiche Untersuchungen zur Charakterisierung bauphysikalischer Eigenschaften der Produkte durchgeführt. Um Einsatzchancen abzuschätzen, wurde eine Schätzung der Herstellungskosten vorgenommen.

Aus der Aufbereitungspraxis ist bekannt, dass für die industrielle Kalisalzgranulatherstellung das Kompaktier-/Zerkleinerungs-Verfahren ein bedeutungsvolles Verfahren ist. Deshalb ist die mathematische Optimierung der Prozesse Kompaktierung und Zerkleinerung sinnvoll. Hier ist die Optimierung mittels einer Modellierung der Prozesse Kompaktierung und Zerkleinerung erforderlich. Deshalb bestand die Aufgabe darin, ein Modell für die Prozesse Kompaktierung und Zerkleinerung auf Grund der mathematisch-statistischen Versuchsplanung wegen ihrer praktischen und ökonomischen Vorteile aufzustellen, um den gesamten Prozess Kaligranulatherstellung zu optimieren. Das aufgestellte Modell lässt sich für die Maximierung der Produktion qualitätsgerechten Granulates einer kompletten Granulieranlage bestehend aus Walzenpresse, Zerkleinerungsapparaten und Klassierapparat einsetzen. Damit ist es ein leistungsfähiges Werkzeug zur Effizienzsteigerung der Kaligranulatproduktion. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die Verwendung der auf Grund der mathematisch-statistischen Versuchsplanung aufgestellten Modelle für die Optimierung der Verfahrenssysteme für die Kalisalzgranulatherstellung sinnvoll und nutzbar ist.

In vielen Bereichen der Tagebautechnik spielt die Zerkleinerung von Material/ -strömen eine wesentliche Rolle, wobei sich je nach Material verschiedene Anforderungen an das Brechersystem ergeben. In Folge dessen werden Brecher auftragsspezifisch, meist für einen speziellen Gesteinstyp oder Einsatzort entwickelt oder modifiziert. Eine aussagekräftige Prognose der im Bruchprozess auftretenden Lasten auf den Brecher ist somit essentieller Bestandteil im Entwicklungsprozess. Ein viel versprechender Ansatz, um das Materialverhalten in der Lastprognose zu berücksichtigen, ist die numerische Simulation des Materialbruchverhaltens mit Hilfe der Diskreten-Elemente-Methode (DEM). Das Verhalten der sogenannten Partikel wird über Kontakt- und bond-Modelle beschrieben und soll das makroskopische Verhalten des jeweiligen Gesteins möglichst realitätsnah abbilden. Die Problematik ist, dass in SimulationX® keine Module zur DEM-Simulation vorhanden sind und umgekehrt in der DEM-Simulationsumgebung LIGGGHTSG® (LAMMPS improved for general granular and granular heat transfer simulations) keine derartige Maschinensimulation möglich ist. Der Ausweg ist die Co-Simulation zweier unterschiedlicher Simulationsumgebungen durch die Nutzung des ,,Functional Mock-Up Interface“-Standards (FMI). Berechnungsergebnis sind die dynamischen Lasten auf den Brecher unter Berücksichtigung des Materialverhaltens. Somit können früher in der Brecherentwicklung Prognosen zu auftretenden Lasten getroffen und Einflussuntersuchungen von Maschinenkonfigurationen zur Effizienzsteigerungen durchgeführt werden, was zuvor auf Grund des Einzelanfertigungscharakters nicht möglich oder nicht wirtschaftlich war.

The production of raw materials through mining projects is nowadays very challenging, mainly due to the rapid progress in the industrial and technological fields. On the one hand, they have to fulfill industries' requirements in their demand for materials while making a profit based on the current technologies. On the other hand, they should consider all other limitations, primarily environmental and social challenges that are confronting. The transportation system in any mining project is one of the most significant parts, especially in the technical and economic issues. It must transfer the planned volume of ore/waste that the whole stream of the mining process would not be interrupted and, it can cover the technical challenges and the costs imposed on the project. Additionally, it should be designed and selected to have the lowest environmental impact and the highest safety during the operation. Accordingly, a transportation system selection process that considers all these factors is one of the challenging issues in any mining project. Although the Truck-Shovel system is known as the conventional transportation in open-pit mines, which is preferable because of the low capital cost and high flexibility, it still imposes a high rate of operating costs, safety issues as well as environmental footprints. In-Pit Crushing and Conveying (IPCC) systems are the alternative transportation systems for the Truck-Shovel systems, in which the material is crushed inside the mine’s pit limit and transferred into the outside through conveyor belts. Although these systems are not new, they are mostly neglected as a transportation option basically due to the high capital cost and low flexibility. On the contrary, they can offer more environmentally friendly and safer working areas and a lower operating cost. According to these facts, each transportation system is preferable in a couple of technical, economic, environmental, safety, and social issues. Accordingly, in each circumstance, one or more of these systems can be used in the mining project. However, there is not yet a way or tool that investigates the transportation system selection along with the mine life that takes into account all of these factors. To fill this gap, this project aims to define a model to introduce all these elements while it is interactively connected throughout the mine life. For this and as the first step, the system dynamics modeling is defined and used to build the model for all the technical, economic, environmental, safety, and social factors. As an output of this step, software entitled “TEcESaS Indexes” is designed and produced through Venapp that makes working with the model comfortable. As the second step, a selection method based on the Analytical Hierarchy Process (AHP) is performed that the transportation system selection regarding all the mentioned factors can be made. As the output in this step, the “Sustainability Index” software programmed in the Java language is developed. Considering a hypothetical copper open-pit mine as the case study and implementing the designed software, the results show although the Truck-Shovel system should be used in the first two years of the project (2016 and 2017) in the single expert and deterministic mode, the Fully Mobile In-Pit Crushing and Conveying (FMIPCC) system shows the highest sustainability index among other transportation systems from 2018 until the end of the mine life. While in the group decision making and deterministic simulation, the Truck-Shovel system should be utilized from 2016 to 2020. Additionally, in the group decision making and stochastic mode, the FMIPCC is the selected transportation system with the highest sustainability index probability.

Für die Weich- und Mittelhartzerkleinerung von Primär- und Sekundärrohstoffen werden zunehmend Profilwalzenbrecher eingesetzt. Trotz relativ geringer Zerkleinerungsgrade zeichnen sie sich durch einen geringen spezifischen Leistungsbedarf, hohe Durchsätze, eine einfache Konstruktion und Instandhaltung sowie eine störungsfreie Betriebsweise aus und sind auch bei adhäsivem Aufgabematerial anwendbar. Trotz der Bedeutung dieser Maschinen gibt es bisher nur unzureichende Auslegungsmethoden. Die theoretisch begründete Modellierung der Zerkleinerung in markant profilierten Walzenbrechern ist deshalb Gegenstand dieser Arbeit, um dadurch die Dimensionierungsgrundlagen zu verbessern und Einsatzmöglichkeiten in der Hartzerkleinerung abzuschätzen. Dazu werden im Rahmen einer Systembetrachtung zunächst die wesentlichen Prozessparameter der Zerkleinerung ermittelt und die Bauarten von Profilwalzenbrechern klassifiziert (Kapitel 2). Die Darstellung der bekannten Berechnungsmodelle für die Hauptzielgrößen „Grenzdurchsatz“, „Produktgranulometrie“ und „Leistungsbedarf“ ist Gegenstand von Kapitel 3. Darauf aufbauend wird in Kapitel 4 ein neues, physikalisch begründetes Auslegungsmodell vorgestellt und das Untersuchungsfeld hinsichtlich der zu analysierenden Aufgabestoffart und Maschinengeometrie eingegrenzt. Die für dieses Modell erforderlichen Zerkleinerungstest- und Simulationsergebnisse werden in Kapitel 5 und 6 dargestellt, bevor die Arbeit in Kapitel 7 mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick abschließt.:Symbolverzeichnis III Tabellenverzeichnis XX Abbildungsverzeichnis XXI 1 Einleitung und Problemstellung 1 2 Systemanalyse von Profilwalzenbrechern 3 2.1 Einfluss- und Zielgrößen von Profilwalzenbrechern 3 2.2 Systematisierung und Einordnung von Profilwalzenbrechern 7 2.2.1 Klassifizierung von Profilwalzenbrechern 8 2.2.1.1 Klassifizierung nach konstruktiven Maschinenparametern 9 2.2.1.2 Klassifizierung nach der Belastungsart 18 2.2.2 Abgrenzung von Profilwalzenbrechern 25 3 Erkenntnisstand zur Zerkleinerung in Profilwalzenbrechern 29 3.1 Wertebereiche der Einfluss- und Zielgrößen von Profilwalzenbrechern 29 3.2 Auslegungsmodelle von Profilwalzenbrechern 32 3.2.1 Ermittlung des Grenzdurchsatzes 32 3.2.1.1 Einzugsbedingung für das Einzelkorn 32 3.2.1.2 Theoretisch begründete Ansätze für den Grenzdurchsatz 38 3.2.1.3 Empirische Ansätze für den Grenzdurchsatz 47 3.2.2 Ermittlung der Produktkorngrößenverteilung 49 3.2.3 Ermittlung des Leistungsbedarfs 54 3.2.3.1 Theoretisch begründete Ansätze für den Leistungsbedarf 57 3.2.3.2 Empirische Ansätze für den Leistungsbedarf 68 3.3 Wertung des Erkenntnisstandes und Präzisierung der Aufgabenstellung 75 4 Neues Auslegungsmodell für Profilwalzenbrecher 77 4.1 Aufbau des Modells 77 4.2 Voruntersuchungen zu den Einflussgrößen des Modells 78 4.2.1 Analyse maschinenbezogener Parameter 78 4.2.1.1 Primäroptimierung der Profilwalzengeometrie 79 4.2.1.2 Sekundäroptimierung der Profilwalzengeometrie 86 4.2.2 Analyse aufgabestoffbezogener Parameter 95 4.2.3 Analyse systembezogener Parameter 99 4.3 Bestimmung der Zielgrößen des Modells 101 4.3.1 Simulation der Einzelkornzerkleinerung in einem Modellwalzenbrecher 101 4.3.2 Aggregation der Simulationsergebnisse auf die Massestromzerkleinerung 102 4.3.3 Skalierung der Simulationsergebnisse auf den Originalwalzenbrecher 110 5 Zerkleinerungsversuche für das neue Auslegungsmodell 115 5.1 Grundlagen zur Einzelkorndruckzerkleinerung 115 5.1.1 Physikalische Beschreibung von Deformations- und Bruchprozessen 115 5.1.2 Empirische Analyse von Deformations- und Bruchprozessen 121 5.1.2.1 Einfluss- und Zielgrößen der Einzelkorndruckzerkleinerung 121 5.1.2.2 Korngrößeneffekt der Einzelkorndruckzerkleinerung 124 5.1.2.2.1 Versuchsergebnisse zum Korngrößeneffekt 124 5.1.2.2.2 Mathematisch-statistische Ansätze zum Korngrößeneffekt 128 5.2 Experimentelle Untersuchungen zur Einzelkorndruckzerkleinerung 132 5.2.1 Aufbau der Versuchsapparaturen 132 5.2.2 Durchführung der Versuche 134 5.2.3 Auswertung der Versuche 136 6 DEM-Simulationen für das neue Auslegungsmodell 141 6.1 Grundlagen zur DEM-Simulation 141 6.1.1 Beschreibung der DEM 141 6.1.2 Bisherige DEM-Simulationen von Zerkleinerungsprozessen 151 6.2 Kalibrierung des DEM-Gesteinsmodells 154 6.2.1 Statistische Simulationsplanung 156 6.2.2 Simulationsdurchführung 159 6.2.3 Voroptimierung 161 6.2.4 Nachoptimierung 164 6.3 Walzenbrechersimulationen mit dem kalibrierten DEM-Gesteinsmodell 166 6.3.1 Aufbau des Walzenbrechersimulationsprogramms 166 6.3.2 Ergebnisse der Walzenbrechersimulationen 169 6.3.2.1 Simulationsergebnisse zum Massedurchsatz des Walzenbrechers 169 6.3.2.2 Simulationsergebnisse zur Produktkorngrößenverteilung des Walzenbrechers 171 6.3.2.3 Simulationsergebnisse zum Leistungsbedarf des Walzenbrechers 174 7 Zusammenfassung und Ausblick 178 Literaturverzeichnis XXIV Anlagenverzeichnis XXXV